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        空氣彈簧的應用與發展趨勢
         
        發布時間:2010.12.06 新聞來源:www.aetosz.com 瀏覽次數:
         
        1.空氣彈簧簡介

        空氣彈簧是利用橡膠氣囊內部壓縮空氣的反力作為彈性恢復力的一種彈性元件。它具有如下特點:①空氣彈簧具有非線性特性,可將其特性曲線設計成理想形狀;②空氣彈簧質量輕,內摩小,對高頻振動有很好的隔振消聲能力;③空氣彈簧的剛度和承載能力可以通過調節橡膠氣囊的內壓力來調整;④空氣彈簧的制造工藝復雜,費用高?諝鈴椈砂垂ぷ鲿r的變形方式分為囊式、膜式和混合式三種。如圖 1、2、3 所示。囊式空氣彈簧主要依靠橡膠氣囊的撓屈獲得彈性變形;膜式空氣彈簧主要依靠橡膠氣囊的卷曲獲得彈性變形;混合式空氣彈簧則兼有以上兩種變形方式。囊式空氣彈簧根據橡膠氣囊曲數的不同分為單曲、雙曲和多曲囊式空氣彈簧。膜式空氣彈簧的結構是在蓋板和底座之間放置一圓柱形橡膠氣囊,通過氣囊撓曲變形實現整體伸縮。膜式空氣彈簧在其正常工作范圍內,彈簧剛度變化要比囊式小,同時也可通過改變底座形狀的方法,控制其有效面積變化率,以獲得比較理想的彈性特性。膜式空氣彈簧有效面積的變化率也比囊式彈簧小,因此,膜式空氣彈簧在輔助氣室較小的情況下,也可得到較低的自振頻率。根據橡膠氣囊止口與接口的連接方式又可分為約束模式和自由模式空氣彈簧。約束模式空氣彈簧密封一般用螺栓夾緊密封;自由模式空氣彈簧采用氣囊內的壓力自封。底座多為深拉鋼板成型或輕質鑄鋼,并且表面鍍鉻處理,減小氣囊與底座之間的摩擦。


        圖 1 囊式空氣彈簧


        圖 2 膜式空氣彈簧


        圖 3 混合式空氣彈簧

        空氣彈簧誕生于 19 世紀中期,早期用于機械設備減振。由于其眾多的優點,因而在現代公路和軌道交通車輛以及工業機械等領域獲得了廣泛的應用。下面對空氣彈簧的應用分別介紹。

        2. 空氣彈簧在汽車上的應用

        1947 年,美 國首先在普爾曼車上使用空氣彈簧,到 1964 年,德國生產的 55 種大中型公共汽車,有 38 種使用了空氣彈簧。目前,空氣彈簧在國外高速客車和豪華城市客車上的使用率已達到 100%,在中、重型貨車以及掛車上也超過80%,如美國的 Ford,德國的 Man 等。有 些高級轎車上也選裝了空氣彈簧,如 美國的林肯,德 國的奔馳 600 等。在一些特種車輛如對防振要求高的儀表車、救護車及要求帶高度調節的集裝箱運輸車上,空氣彈簧的應用更為廣泛。近年來空氣彈簧在商用汽車上使用發展較快,常用的空氣彈簧有如圖 4、5、6、7 所示四種。


        圖 4 筒狀空氣彈簧


        圖 5 變載而活塞型筒狀空氣彈簧


        圖6 直筒式活塞邊緣壓緊式筒狀空氣彈簧


        圖7 雙環型空氣彈簧

        我國在于20 世紀50 年代就對空氣彈簧進行了研究。1957 年,長春汽車研究所與化工部橡膠工業研究所合作制造出了我國第一輛裝有空氣彈簧的的載重汽車,相繼又設計制造了公共汽車用空氣彈簧。近年來,隨著汽車技術的發展及國外空氣懸架的引進,小部分國產高級旅游車開始采用進口空氣彈簧,如 沈陽飛機制造廠、北 方汽車制造廠、廈門金龍聯合汽車公司、亞星客車集團公司、丹東汽車制造廠等生產的客車。

        近年來,隨著空氣彈簧應用的推廣,對空氣彈簧的研究和開發越來越得到重視。四方所研制了豪華客車用 SYS330 型空氣彈簧。該空氣彈簧為自由膜式空氣彈簧,由上蓋板、膠囊、應急橡膠擋和底座(兼作附加氣室),采用壓力自密封方式密封。貴州前進橡膠股份有限公司對南斯拉夫桑諾斯,德國沃爾沃、凱斯抱爾等客車的橡膠空氣彈簧進行了研究。交通部重慶公路科研所研制D52603260膜式空氣彈簧在實際使用中性能良好,使用壽命達 10 萬公里以上,已在進口和國產車上大量裝用。河南尉氏縣橡膠廠研制的空氣彈簧用于匈牙利的依卡露斯256 型大型豪華客車上,運 行10 萬公里無質量問題。株洲時代新材研制了 EQ6111 汽車空氣彈簧(圖 8),已通過了 1 萬公里裝車運行試驗, 還開發了用于廈門金龍客車的29S35000汽車空簧,并通過了 500 萬次疲勞試驗。


        圖 8 EQ6111 汽車空氣彈簧

        3.空氣彈簧在軌道交通上的應用

        空氣彈簧廣泛應用于快速列車、地鐵、輕軌和磁懸浮列車等軌道車輛上。

        3.1 在快速列車上的應用

        20 世紀70 年代初,法國試驗型高速列車TGV001的Y225 型轉向架上,二系懸掛采用了日本住友生產的約束膜式空氣彈簧。80年代初在 TGVPSE上采用了康迪泰克公司生產的高柔性684N4.10B 空氣彈簧,保 證了TGV 于 1990 年在創造世界紀錄的 515km/h速度時仍具有優良的運行平穩性。由于這種大曲囊式空氣彈簧(圖9)在TGVPSE上的成功應用,TGV 的所有其他系列如 TGVA、TGV2N、E UROSTAR( 歐洲之星)、T HALYS(歐洲國際聯運用)、西 班牙AVE、韓 國TGV等都采用了該空氣彈簧。


        圖 9 TGCPSE上的空氣彈簧懸掛裝置

        德國試驗型高速列車 ICE 使用了康迪泰克生產的高柔性7050N.10 型空氣彈簧(圖 10),曾于 1987 年創下了當時的世界紀錄 406km/h 。瑞典X2000 型擺式列車上,其拖車轉向架二系懸掛由空氣彈簧、上下搖枕和橡膠堆組成?諝鈴椈芍糜谲圀w與上搖枕之間。其動車轉向架二系懸掛為無搖枕結構,空氣彈簧直接座落在構架上。日本300 系、400 系、500 系、500 系、700 系客車均采用了空氣彈簧。300系客車轉向架上采用大橫向變位、小橫向剛度自由膜式空氣彈簧。


        圖 10 用于 ICE 的康迪泰克空氣彈簧系統

        空氣彈簧標準工作高度為201mm,工作壓力為 0.37Mpa,有效直徑為500mm,最大橫向變位可達100 mm。400 系客車采用無搖枕轉向架形式,也采用自由膜式空氣彈簧作二系懸掛?諝鈴椈蓸藴使ぷ鞲叨葹 190 mm,工作壓力為 0.46Mpa,氣囊小半徑為60 mm,裝有板式可變節流閥,最大橫向變位可達 100 mm。500系列試驗車空氣彈簧采用自由膜式結構,兩空氣彈簧間距 2600 mm,有效直徑為 500mm,空氣彈簧標準工作高度為200 mm,工作壓力為0.39 Mpa,附 加氣室容積70L。7 00系主要采用了非線性空氣彈簧,使空氣彈簧在直線行車時較軟,在曲線行車時較硬,從整體上改善了乘坐舒適性。

        早在 1958 年我國試制的雙層客車的轉向架上就開始使用空氣彈簧,這期間所應用的空氣彈簧基本上都是囊式空氣彈簧。在 60年代研制的 KZ2 型客車轉向架上也采用了空氣彈簧懸掛,采用的是約束膜式空氣彈簧。經過不斷的研制和運用,近年來新型空氣彈簧越來越多地應用于我國準高速、高速列車轉向架上。

        在我國的準高速車輛CW2型轉向架上采用的空氣彈簧安裝在搖枕與托架之間,其橫向間距為 1956 mm,利用搖枕內腔作為附加氣室,空氣彈簧與附加氣室之間設可調節流閥。具有代表性的是 SYS600A 型空氣彈簧(圖 11)。


        圖 11 SYS600 型空氣彈簧

        209HS 轉向架的二系懸掛采用膜式空氣彈簧,其 搖枕兼作附加氣室用。2 06KP型轉向架采用無搖枕動臺結構,并采取了橡膠堆彈性支承空氣彈簧系統,也設置了可變節流孔。具有代表性的是 SYS550C 型空氣彈簧(圖 12)。此外,SW200型和SW160型轉向架采用SYS550D 型和SYS600A 型空氣彈簧,其結構特點與 SYS550C 和 SYS600A型基本相同。在此基礎上,我國鄭武線200km/h 以上線正在試驗中,浦廠研制的PW200型轉向架上采用了新研制的大柔度的空氣彈簧及縱向牽引拉桿,提高了車輛的平穩性。


        圖 12 SYS550 型空氣彈簧

        3.2 在地鐵上的應用

        上海地鐵無搖枕轉向架采用了高柔性自由膜式空氣彈簧(圖 13),其密封方式為螺釘密封和壓力自封相結合的方式。該空氣彈簧具有如下特點:⑴橫向剛度小并能適應大的橫向變形;⑵曲線通過時,空氣彈簧本身具有良好的橫向復原力特性;⑶具有良好的扭轉特性和扭轉耐久性。


        圖 13 上海地鐵用空氣彈簧
        1.上蓋板;2.扣環;3 膠囊;4.錐形橡膠堆

        3.3 在輕軌列車上的應用

        城市輕軌電車行駛于城市地面、地下或高架線路上,要求其噪聲低、減振性能好,并且有適應車輛載重變化較大的能力,為此,空氣彈簧獲得了廣泛應用。四方廠研制了用于有軌電車的 SYS450 型空氣彈簧(圖14)。該 空氣彈簧采用全壓力空氣自封密封方式,簡化了空簧結構;使用橡膠堆支承,改
        善了車輛的橫向振動性能;采用可調阻尼節流閥,使車輛在各種線路狀態和運行速度下均具有良好的振動性能。


        圖 14 輕軌列車用 SYS450 型空氣彈簧
        1.上蓋;2 .下 座;3 .橡 膠堆;4 —橡膠囊;5 .橡膠墊;6,可調阻尼節流閥

        3.4 在磁懸浮列上的應用

        磁懸浮列車是一種新型的非地面接觸式交通方式,具有超高速、低噪音、節能等優點,越來越受到重視,當然,空氣彈簧的應用是非常關鍵的技術。20 世紀 80 年代,日本、德國等國家的磁懸浮列車技術已達到實用水平。而在國,該技術起步于 80 年代,90 年代進行了具有實用價值的試驗型磁懸浮列車的研制。四方所研制了 SYS130A 型、SYS130B 型磁懸浮列車轉向架用膜式與囊式 2 種空氣彈簧(圖 15)。該空氣彈簧中央懸掛的采用改善了磁浮列車的乘坐舒適性,為推動我國磁浮列車的實際應用研究起到了積極作用。我國八達嶺旅游示范線磁懸浮列車選用了美國 NEWAY 公司生產的空氣彈簧。該產品使用液體減振器,無附加氣室,減少了體積和重量?諝鈴椈傻膽酶纳屏塑囕v的二系懸掛品質,提高了舒適性和平穩性。


        圖15 磁浮列車用空氣彈簧
        (a) SYSl30A型;(b) SYSl30B型。
        1.上蓋:2.橡膠囊,3.上壓板:4.橡膠支承塊,5.下壓板:6,下座鋼筒;7橡膠堆

        4.空氣彈簧在工業機械上的應用

        空氣彈簧在工業機械上廣泛應用于設備隔振,如在壓力機、空氣壓縮機、離心機、振動運輸機、控 制錘、鑄 造機械和紡織機械、光學和激光儀器、集成電路、超精密機床等精密機械設備和精密測試設備上,在國外都得到了應用。隨著社會的發展,人們對生活的要求(包括對降低振動和噪聲的干擾)越來越高,因此空氣彈簧隔振技術會越來越多,其前景十分廣闊。在機械隔振中,空氣彈簧一般采用約束膜式和自由膜式結構?諝鈴椈煽蓱糜诟鞣N機械裝置中起緩沖吸振、控制運動或增壓作用。與具有同樣功能的氣缸或其他彈性元件相比,空氣彈簧結構簡單、工作可靠,不需復雜的參數計算和結構設計,無密封泄漏問題,使用維護方便,且壽命較長。沖壓加工中,如沖壓汽車車蓋、車門等,均需采用必要的緩沖裝置。緩沖器在加工中要承受較大的、周期性的沖擊負荷。其性能直接影響產品的加工精度。若采用空氣彈簧作為緩沖器(圖16),可降低加工成本并保證加工精度。物料傳送中,料箱由振動器驅動以使物料混合均勻,或使物料流動以進入料箱中。振動會引起料箱支承部件疲勞乃至破壞,因此必須采用隔振裝置。若使用空氣彈簧(圖 17)則可提供較大的靈活性,調節彈簧的充氣量就可適應不同的工作負荷和高度要求,而不會影響隔振效果。


        圖 16 空氣彈簧緩沖器 圖 17 空氣彈簧隔振器

        在造紙、紡織等行業中,紙張或布匹在卷繞過程中需要以較高的速度繞過很多傳送輥,因此傳送過程中需要恒定的張緊力,以免紙張或布匹松馳、扭曲或破裂。在這種情況下應用空心卷輥—空氣彈簧組合結構,可提供恒定的張力。而且具有較強的承受沖擊負荷的能力,保護傳送裝置和傳送件不受損壞?諝鈴椈煞浅_m用于高壓力、小行程工況。在粘接工藝中,采用空氣彈簧可提供均勻的壓力,保證粘接質量。張文華等分析了空氣彈簧在鉆井液振動篩上的使用性能,現場使用表明,空氣彈簧比鋼制壓縮彈簧的緩沖效果好,使用壽命長,可提高設備效率和延長設備使用壽命。韓寶玲等將空氣彈簧應用于自動旋蓋封瓶機旋蓋皮帶調節裝置中,改善并提高了封瓶機在高速封瓶時的穩定性,改善了封瓶質量。蔣華良等將空氣彈簧應用于大型洗衣機上的隔振,提高了減振效果,降低了運行噪聲。薛曉紅等研制了一種結構簡單且實用性好的空氣彈簧,應用于振動試驗設備中,取得了很好的隔振效果,如圖18 所示。


        圖 18 空氣彈簧在電動臺減振的應用

        空氣彈簧的性能優于一般隔振器,自問世以來,在防微振領域的應用等到很快發展,在發達國家已普遍采用,并有系列化產品供應。我國發展空氣彈簧隔振技術起步早但發展慢,到八十年代初期,還沒有用于防微振的技術成熟的空氣彈簧隔振裝置。1982
        年起,中國電子工程設計院與遼寧減振器廠合作研制防微隔振用空氣彈簧隔振裝置。到1995 年,已 開發出 JYKT 系列 8 個型號的產品,承載能力為 6—200kN,廣泛用于冶金、機械、電子、光學、航天等領域的精密設備、儀器儀表隔振,取得良好效果。同時,哈爾濱工業大學研制的超精密加工機床空氣彈簧(圖 19)隔振系統也取得了較好的隔振效果。青島橡膠工業研究所研制成功的 φ113空氣彈簧廣泛應用于精密儀器的隔震領域。


        圖 19 超精密機床用空氣彈簧結構
        1 橡膠囊 2 襯墊 3 主氣室 4 輔助氣室 5 阻尼孔

        5.空氣彈簧的發展趨勢

        5.1 我國軌道車輛用空氣彈簧的發展

        通過多年的努力和摸索,我國軌道車輛用空氣彈簧的設計開發水平取得了巨大的突破,結構設計日趨先進合理,種類也日益豐富,已廣泛應用于鐵路客車、地鐵、輕軌和動車組上。今后,隨著我國軌道車輛交通的不斷發展.空氣彈簧的研究和開發應注意以下幾個方面的問題:( 1)繼續深入研究和開發適用于無搖枕客車轉向架的空氣彈簧,尤其是加強300 km/h 及以上高速客車和高檔次城軌車輛用空氣彈簧的研究和開發;(2)提高空氣彈簧的設計和理論計算水平,通過引進國際上流行的先進設計手段,利用現代非線性有限元理論提高分析計算的精度,(3)加強對建立空氣彈簧精確動力學計算模型的深入研究,真實反映空氣彈簧懸掛在車輛動力學計算中的作用,提高我國車輛動力學計算水平,充分發揮動力學計算在車輛設計中的指導作用;( 4)進行空氣彈簧主動控制系統的可行性研究,即由現有的高度閻機械控制系統向車載微機控制系統轉變,提高控制的可靠性;( 5)加強進口高檔次軌道車輛用空氣彈簧國產化研究,使之達到歐洲同類產品的標準要求,為整車國產化和國產車輛的制造提供可靠的產品保證;( 6)提高空氣彈簧的制造水平,降低制造成本,增強國產空氣彈簧的市場競爭力。

        5.2 汽車用空氣彈簧的發展趨勢

        隨著我國高速公路的迅速發展,運輸量的增加,要求汽車具有更好的操縱穩定性、平順性、安全性,空氣彈簧必將得到廣泛應用。另外,隨著對重型載貨汽車對路面破壞機理的研究和認識進一步加深,以及政府對高速公路養護的重視,空氣彈簧在重型車市場的應用也將進一步增加。同時,汽車控制系統的智能化程度越來越高,電控式空氣彈簧將成為未來發展的必然趨勢。

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